多尺度热红外遥感数据在煤田火区信息提取中的应用

【摘要】：煤田火灾作为中国21世纪议程记载的重大自然灾害之一，它不仅对煤炭资源造成了重大浪费，同时也严重威胁到国民经济和生态环境的可持续发展，受到社会和科学界的一致关注，是现阶段必须马上着手予以研究解决的重大科学问题。遥感具有大面积同步观测、时效性强、数据的综合性和可比性较高的经济和社会效益等特点，已成为煤田火区地表热异常信息提取和时空动态监测的重要手段。 本文以新疆维吾尔自治区水西沟矿区为研究区，数据源选取1990年、2001年和2011年多期遥感影像，通过多时相遥感数据简单归一化处理、地表温度反演算法分析与验证，单波段最优密度分割和三维可视化等研究手段，开展煤田火区地表热异常信息提取与时空动态监测研究。 （1）煤田火区地表温度反演：利用Landsat5卫星2011年7月31日过境同时段红外辐射计的地表温度观测数据，通过多种方法获取了像元尺度的地表温度实测值，并对基于TM数据反演地表温度的单窗算法、普适性单通道算法和Weng算法得到的地下煤火区地表温度进行对比分析与验证。结果表明：3种遥感反演算法得到的水西沟地下煤火区地表温度的空间分布趋势一致，其中单窗算法与普适性单通道算法较为接近，研究区整体的平均地表温度差值为1.60℃；与地面实测数据相比，3种反演算法结果均低于地表温度实测值，其中普适性单通道算法与地面实测值一致性最好，回归系数为0.886，均方差为1.48℃。普适性单通道算法反演结果符合地下煤火区温度的空间分布规律，高温异常区范围明显，反演结果符合要求，在地下煤火区地表温度获取中具有一定的适用性，为提高地下煤火区的动态监测与评价能力奠定基础。 （2）煤田火区动态监测：尝试对多时相热红外遥感数据进行简单归一化处理，使多期不同时相影像具有一定可比性，结合单波段最优密度分割法的最优二段分割将水西沟矿区分为背景区、煤火较严重区和煤火严重区三个类别。利用高分辨率Worldview-Ⅱ影像和高精度DEM数据生成矿区三维地形图，叠加火区热异常信息可以形象、直观对煤田火区发展态势进行定性描述。通过对水西沟矿区三期遥感影像提取出来的地表热异常信息的定量研究，统计与分析煤田火区地表热异常的时空动态变化：水西沟煤田火区面积由1990年61200m~2增至2011年124200m~2，增幅为2.03倍，其中前一段时期热异常区年平均动态变化度1.28，后十年年平均动态变化度升至4.57，说明2001年—2011年间水西沟煤田火区扩张势头强劲，灾情恶化速度明显加快。煤火较严重区重心1990年—2001年向西北方向移动，2001年—2011年向东北方向移动，整体趋势是向北扩张，煤火严重区情况略有反复，整体趋势依然是向北扩展。水西沟矿区1990年有A、B、C三个相互独立的子火区，至2001年A、B子火区已经合并，至2011年C火区也有向A、B火区靠拢的趋势。通过分析，加深对研究区煤田火区地表热异常时空变化机制和特征的理解，为煤田灭火工程的实施提供了一个客观依据，并给予灭火工程一个科学的指导。